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La présente invention concerne les translateurs semi- conducteurs et, plus spécialement, des circuits électriques utilisant des appareils semi-conducteurs à tension de sortie fonction à la fois de la grandeur d'un courant électrique et de l'intensité d'un champ magnétique appliqués au semi-conducteur.
Il est connu de transformer un signal à courant con- tinu en un signal alternatif d'amplitude proportionnelle, en utilisant 'effet Hall" dans un semi-conducteur. A cet effet, une mince plaque rectangulaire semi-conductrice est traversée par un cour t continu circulant entre deux de ses bords opposés et est placée dans un champ magnétique variable, et des bornes de sortie sont fixées aux deux autres bords opposés de la plaque rectangulaire.
Le gradient de potentiel établi en travers de la plaque, d'une borne de sortie à l'autre,par
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suite de Inapplication simultanée, à la plaque, d'un courant électrique et d'un champ magnétique, permet de récolter une tension de sortie proportionnelle à l'amplitude du courant con- tinu, s'il est supposé que le champ magnétique varie, de façon régulière, entre des intensités de champ maxima. Cette tension de sortie est amplifiée et utilisée à la commande d'un type bien connu d'appareil de réglage de la température.
Cet appareil s'est avéré avoir plusieurs défauts plut8t sérieux. La tension de sortie totale de la plaque est très petite, si petite en fait qu'elle était assez souvent inutili- sable pour les cas d'application pour lesquels l'appareil avait été prévu Les dimensions de la plaque semi-conductrice doivent être nécessairement très faibles, si on veut tirer de celle-ci un tension de sortie mesurable. Les dimensions sont tellement réduites pour des tensions de sortie d'amplitude satisfai- sante, que l'appareil est en pratique inutilisable. En outre, la tension de sortie dépend tellement des dimensions de la plaque que, pour avoir une reproductibilité des caractéris- tiques de fonctionnement, l'usinage de la plaque doit s'ef- fectuer avec des tolérances extrêmement serrées entraînant nécessairement un pourcentage de rebut élevé.
En outre, la tension totale de'sortie de la plaque baisse rapidement avec le courant enlevé à.la plaque. Comme l'impédance de charge doit être adaptée avec beaucoup dé précision à l'impédance de sortie de la plaque (qui, de nature, est extrêmement faible), les courants enlevés à la plaque sont relativement importants, faisant fortement baisser la' tension de sortie dans des cas d'application pratique de l'appareil.
L'invention a pour but principal de procurer un translateur électrique perfectionné utilisant des corps se- mi-conducteurset produisant une tension de sortie d'ampli- tude considérable, à l'application simultanée de champs électrique et magnétique au corps semi-conducteur.
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Suivant l'invention, il est utilisé un corps semi- conducteur ayant au moins une jonction p-n du type de surface. Chaque jonction est polarisée par une impédance de valeur notable, la polarisation étant d'un ,sens tel que les porteurs minoritaires à l'intérieur du corps semi- conducteur traversent la jonction, en substance sans opposition.
La partie du corps semi-conducteur comprenant la jonction est placée dans un champ magnétique dont les lignes de force sont dirigées de telle façon que les porteurs minoritaires et majo- ritaires faisant partie d'un courant électrique traversant le corps semi-conducteur perpendiculairement au champ magnétique, soient déviés vers la jonction. Les porteurs majoritaires sont arrêtés par la jonction, tandis que la plupart des porteurs minori- taires traversent la jonction, sans se recombiner aux porteurs majoritaires dans le voisinage de la jonction. Quand on réalise des jonctions p-n sur deux bords opposés du corps semi-conduc- teur entre lesquels le courant défile, les porteurs ne sont déviés que vers une jonction dans le cas d'un champ magnétique de sens invariable.
Le gradient de potentiel en travers du corps semi-conducteur résultant de l'accumulation de porteurs majoritaires d'un côté du semi-conducteur (phénomène dénommé "l'effet Hall"), tend à écarter les porteurs minoritaires de la jonction p-n vers laquelle les porteurs ne sont pas déviés par le magnétique, et s'associe donc au dhamp magnétique pour réduire la probabilité que des porteurs minoritaires ou des charges traversent le corps semi-conducteur d'un côté à l'autre.
L'expérience montre que le courant traversant la jonction p-n et dù aux charges minoritaires est fonction de la densité de courant du courant électrique qui traverse le corps semi- cnnducteur et de l'intensité du champ magnétique appliqué.
Cette relation peut s'exprimer par l'équation suivante :
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1 Ih = k 1 1 H + Is
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où Il est le courant traversant le corps semi-conducteur, H, l'intensité du champ magnétique, k une constante de l'appareil. et Is un courant de fuite aux bornes de la jonction.
L'invention ressortira clairement de la description détaillée, donnée ci-après, de plusieurs formes d'exécution de l'invention représentées, à titre d'exemple, aux dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 donne le schéma d'une forme d'exécution de la présente invention, et
Les figures 2 et 3 sont des vues d'autres formes d'exécution de l'invention concernant respectivement la commande de température et la mesure de puissance.
La figure l.représente un corps-semi-conducteur 101 ayant, de préférence, la forme d'une plaque rectangulaire relativement mince dont les bords opposés-les plus éloignés sont pourvus de bornes de connexion à faible résistance respectives 105 et 107. Pour des raisons exposées ci-après, le semi-con- ducteur doit etre quasi mais non entièrement exempt d'impuretés; il peut, par exemple, être légèrement du type n ou du type p. Les bornes 105 et 107 doivent être faites en une matière présentant très peu de résistance à l'écoulement du courantdans les deux sens et faisant un contact ohmique faible avec le semi-conduc- teur ; l'expérience montré que la soudure plomb-étain convient à cet effet.
Les deux autres côtés de la plaque semi-conductrice sont pourvus de jonctions p-n de surface respectives 111 et 113. Ces jonctions p-n peuvent être obtenues par le procédé d'alliage décrit par R. N. Hall dans le "Proceedings of the IRE" de Novembre 1952, page 1512. On peut aussi utiliser le procédé de culture, si on s'assure que la barrière redresseuse ait le même sens en tous points et que le rapport entre l'impédan- ce dans un sens et l'impédance dans le sens opposé, soit très élevé,. L'expérience a montré que les semi-conducteurs à point de contact et les jonctions obtenues par galvanoplastie ne
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conviennent pas dans le cas de la présente invention.
Une source de courant continu 103 est reliée aux bornes
105 et 107. Comme représenté, la borne positive de la source
103 est reliée la borne de semi-conducteur 105 et la borne négative de la source est reliée à la borne de semi-conduc- tour 107. La source de courant continu 103 peut consister en unebatterie ou en un autre moyen convenable connu. Si-on le désire, une résistance variable 104 peut être intercalée entre la source de courant continu et une des bornes de semi-conduc- teur 105, 107, à. l'effet de régler le débit de la source 103 dans des conditions de fonctionnement données.
Un champ magnétique, dont les lignes de force portent la référence 109, est appliquéde façon à traverser la petite dimension de la plaque. Comme représenté, les lignes de force du champ magnétique pénètrent dans le papier. Le champ magné- tique peut être produit par un électro-aimant, dans l'entrefer duquel se trouve disposée ,la plaque semi-conductrice. (Cette construction est représentée à la figure 2).
Les jonctions p-n 111, 113 sont polarisées dans le sens voulu pour s'opposer au passage des porteurs majoritaires à l'intérieur du corps semi-conducteur 101. Par exemple, si on suppose que le corps semi-conducteur consiste en germanium de tyne n et que.les autres bornes 112 et 114 des jonctions respectives 111 et 113 sont en indium, la borne positive de la source de polarisation 119 est reliée directement à la borne de semi-conducteur 107, tandis que la borne négative de la source 11.9 est relire aux bornes de jonction 112 et 114 par l'inter- médiare des résistances respectives 121 et 123. Les bornes de charge 125 et 127 sont reliées respectivement aux bornes de Jonction 112 et 114.
Les flèches 115 et 117 représentent respectivement les sens'décollement des porteurs minoritaires et majoritaires
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du courant électrique. Si on admet l'hypothèse précitée d'un semi-conducteur en germanium.de type n, la flèche 115 indique le sens d'écoulement des trous et la flèche 117 le sens d'écoulement des électrons.
Si on néglige, poùr le moment, l'effet de la jonction p-n 113 et si on suppose qu'un champ magnétique est appliqué comme représenté (les lignes de force pénétrant dans le papier) au semi-conducteur, les trous et les électrons qui se déplacent entre lés bornes 105 et 107 à l'intérieur du corps semi-conducteur sont déviés vers le'haut, dans là direc- tion de la.jonction p-n 111.
Les électrons ne peuvent pas passer la barrière redresseuse dressée par la jonction, mais les trous la traversent, librement. Certains trous se recombinent évidemment avec des électrons et d'autres vont directement à travers le semi-conducteur, d.e là borne 105 à la 'borne 107, mais les trous qui atteignent la jonction p-n la traversent, passent @ dans la résistance de, charge 121 et atteignent la source de potentiel 119, créant, aux bornes 4e là, résistance 121, une tension de sortie proportionnelle au courant résultant.
Si on considère la jonction p-n 115. en circuit, cela ne change pas la question, et des trous et des électrons sont toujours déviés vers la jonction p-n 111, plutôt que vers la jonction p-n 113. En l'absence d'un champ magnétique, - un certain nombre de trous trouvent leurs chemins vers les deux jonctions, les traversent, passent dans les résistances de charge et produisent donc un courant de fuites
Les trous déviés vers la jonction 111 s'ajoutent au courant de fuite par celle-ci et se retranchent du courant de fuite par la jonction 113, approximativement en proportions égales.
L'accumulation des électrons le long du bord supérieur de la plaque semi-conductrice et autour de la jonction p-n établit, en travers de la plaque semi-conductrice, un gradient de potentiel, commu sous le nom "d'effets Hall". Le sens de ce gradient de
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potentile est: tel que la jonction 113 devient positive par rapport à la jonction 111, repoussant donc les trous qui vou- draient trouver leur chemin vers la jonction 113, ce gradient de potentiel. s'associant donc au'champ magnétique appliqué.
Comme précité, l'exp/érience a montré que le courant dû à l'application du champ magnétique est approximativement proportionnel à l'intensité du champ appliqué, à la valeur du courant et à une constante déterminée par les données de la plaque semi-conductrice, ses dimensions par exemple, le type du semi-conducteur et celui de l'impureté de "dopage" et certains autres paramètres.
Le courant In1 à travers la jonction 111 et le courant In2 à travers la jonction 113 peuvent être exprimés par les équations suivantes :
Inl = KI1H + Is
In2 = - KI1H + Is
La tension de sortie apparaissant aux bornes de charge
125, 127 est approximativement égale à 2 KI1HR1' où R1 est la résistance d'un des éléments 121 123, et'dans l'hypothèse où la source de courant continu 103 de la figure 1 a été rempla- cée par une source de courant alternatif. Les courants de fuite aux bornes des jonctions 111, 113 s'opposent et s'annulent en pratique, en ce qui concerne la tension de sortie.
Comme précité, le semi-conducteur ldl est quasi homogène (sans impuretés de type opposé), mais contient' cependant une très petite quantité d'impureté de dopage. Il y a deux motifs à cela. Comme il est bien connu, à une température ambiante donnée, la relation entre la densité en électrons et la densité en trous est donnée par l'équation suivante : pn. =K2 où p est la densité en trous, n la densité en électrons et
K une constate. La densité en électrons "n" est donnée par la formule-. n = Nd + P
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où Nd est la concentration en impureté de doping de type-n. en excès sur l'impureté de type-p. On peut doncconstater que, si on désire avoir un grand nombre de trous dans un semi-conducteur de type-n, le semi-conducteur ne peut être que légèrement dopé.
Il est évident que, pour avoir un appareil au rendement le plus élevé possible, le nombre de trous disponibles pour traverser les jonctions p-n 111, 113 doit être aussi grand que possible.
Il est clair aussi que, si on désire des jonctions p-n avec le semi-conducteur 101 servant de borne à une de celles-ci, le semi-conducteur 101 ne peut pas être homogène.
De bons résultats ont été obtenus quand le corps semi- conducteur est composé'de façon que le rapport entre densité en porteurs majoritaires et densité en porteurs minoritaires ne dépasse pas 10 à 1. En d'autres mots, le rapport entre densité en électrons et densité en trous ne peut pas être supé- rieur à 10 à 1 dans le cas d'une plaque ou d'un corps semi- conducteur en matière de type-n, et ne peut pas être inférieur à 1 à 10 dans le cas d'une matière dè type-p.
Comme précité, le corps semi-conducteur 101 peut être en germanium légèrement dopé, en silicium *ou en un composé
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semi-conducteur fait de puoportions sto'échiométriques d'un élément du.groupe III et d'un élément du groupe V de la table périodique: Les composés les plus satisfaisants sont ceux qui utilisent les éléments du groupe III aluminium, gallium, indium et les éléments du groupe V phosphore, arsenic et antimoine. Les neuf composés ainsi obtenus sont A1P, A1As, A2Sb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb. Au sujet de ces composés, on peut se reporter à l'article de H Welker, paru dans
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nZe1tschrift fur Natarforschungu 7a, page 744 de 1952.
La figure 2 représente une forme d'exécution de l'in- vention utilisée pour la mesure de la température. Sur les figures 1 ..et 2, les nombres de référence terminas par les mêmes deux der- niers chiffres désignent des éléments identiques remplissant
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1 essentiellement les mêmes fonctions. Par xmr>lp, la pl,aqqe
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.wnii-, actrico 201 et la source de potentiel 219 de la figure 2 sont respectivement identiques à la plaque semi-conductrice 101 et la source de potentiel 119 de la figure 1.
Le champ magnétique qui traverse la plaque semi- conductrice 201 dans le sens de sa petite dimension est repré- senté comme étant produit par un électro-aimant 232 à entrefer, dans lequel se trouve logée au moins une partie de la plaque semi-conductrice 201 contenant la jonction p-n 211. L'électro- aimant est excité par une source de courant alternatif 229, couplée au fer de l'électro-aimant-par une bobine 230. La source de courant alternatif peut avoir toute fréquence convenable, par exemple 50 périodes par seconde, et doit être à amplitude constant. La plaque semi-conductrice 201. est couplée aux résistances de charge 221, 223, à la source de polarisation des
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jonctions 219 et aux bornes de sortie 25, 227e de la même manière que décrit avec référence à la figure 1.
La borne de connexion à faible résistance ohmique 205 est reliée la borne négative d'un'thermocouple 247, dont la borne positive est reliée au curseur 243 d'un potentiomètre 239. Une source de potentiel à amplitude constante 241, une pile standard à courant continu par exemple, est mise aux bornes de sortie du potentiomètre. La borne négative de la source de potentiel 241 est reliée directement à la connexion ohmique à faible résistance 207.
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Les bornes de sortie 225 et 887 sont re7ds un ampli- fienteiir de courant alternatif 831 dont 1R sorti ,est ,oonneot4e ].a phase variable 235 d'un servn-motelir diphasé 233, dont la. première plnase 231 est rell4e la source de courant ititertif 229e par i'intprmédigira d'un condensateur 237j de faqon classique. Il est à remrrailer que la première phase 857 et la bobine denxoitntion2Z>Oaont rolpleenh 1 même source de courez .alternant. tilerl!ra de gnrti 011 cmmman44 du moteur h6/ est aeèoôpié msnqurnh au curseur 247, fer-mn qgfb, celui-ci se déplace en fonction du senq de rntatinn de l'arbre du moteur.
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Si le curseur 243 se trouve dans une position telle que la différence de potentiel. entre le curseur et la
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borne négative de la source de potentiel 241 soit valez la tension produite par le thermocouple 247, aucun courant ne traverse la plaque se:ni-conductrice 201 et aucune tension de sortie n'ap- parait entre ses bornes de sortie 225 et 227. Si la température du thermocounle varie, au contraire, de façon que, par exemple,
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la tension augmente, du courant circule travers le semi-conduc- teur, de la borne 207 à la borne 205.
Une tension de sortie alternative apparaît, dans ces conditions, entre les bornes 225 et 227, en fonction des'inversions de sens du'champ magné-
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tique appliqué a la plaque semi-conductrice 201 par la source de courant alternatif 229. Cette tension est amplifiée par 7..'ram. plificateur de courant 'alternatif 231 et apl)liqiie lys., physe variabif 235 du moteur 233, celui-ci se mettant tourner da-ni le sens voulu pour rapprocher le curseur 243, de la borne positive du potentiomètre, de;façon à compenser la variation de tension introduite.par le thermocouple 247.
Si la tension de sortie du thermocouple 247 diminue, du
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ceurant traverse le seai-eondueteur'de la bone 805 vers la- borne 207.1 et une tension de sortie, dephnsee de 1800 par rapport a celle produite par du courant allant de In borne 20"l : la borne ?05,"fnit tourner le moteur 233 dans la direction opposée, de manière à faire redescendre le curseur (voir figure 2) et à ramener de nouv'au le système l'état d' qni i.ibre,
La figure 3 représente une autre forme d'exécution de l'invention pouvant être utilisée pour la mesure d'une puissance alternative.
Les nombres de référence des figures 1 et 3 se terminant par les mêmes deux derniers chiffres dslnent des
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éléments de même type et essentiel.lement de même fonction. La ya7.cVe 'sni -catlcïrterrl ee 301 est placée, rarrne la figure 2,
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dans l'entrefer d'un firent 338, dont une partie setileient ent
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représentée à la figure 3: les lignes de force du champ magnétique sont normales au plan du papier. Comme représenté, la bobine d'excitation 330 de l'aimant est connectée dans une ligne de transport de courant alternatif reliant une génératrice de eourant alternatif 329 à une charge pour courant alternatif 344.
La connexion ohmique faible résistance 305 est reliée à un conducteur de la ligne, au point de jonction 342, tandis que la connexion ohmique à faible résistance 307 est reliée de même à l'autre conducteur de la ligne de transport, à l'endroit de la borne 334. La résistance 304, intercalée entre la borne 305 et le point de jonction 342, sert à régler l'intens té du courant qui traverse la plaque semi-conductrice dans des conditi/ons de fonctionnement données. La polarisation nécessaire est appliquée à la jonction p-n 311 par la source de potentiel 319a, à travers la résistance de charge 321 connectée entre la borne de jonction p-n 312 et la borne négative de la source 319a.
La borne positive de la source 319a est reliée au curseur 324 d'un rhéostat 320 dont les extrémités sont connectées aux bornes faible résistance ohmique respectives 305 et 307.
De même, la jonction p-n 313 est polarisée par une source de potentiel 319b, par l'intermédiaire de la résistance de charge 323 et du potentiomètre 318. La borne positive de la batterie 319 b est reliée au ,curseur 322 du potentiomètre 318, dont les extrémités sont aussi reliées aux bornes à faible résistance ohmique respectives 305 et 307. Les potentiomètres 318 et 320 empêchent qu'une composante de tension alternative soit super- posée au potentiel de polarisation aux bornes des jonctions p-n, à cause des tensions alternatives apparaissant entre l'une ou l'autre des connexions ohmiques à faible résistance 305 ou 307 et l'une ou l'autre des bornes de jonction p-n 312 ou 314.
En fait. les bornes positives des sources de polarisation 319a et 319b sont portéps à un potentiel correspondant à celui à l'intérieou de la plaque semi-conductrice 301, à mi-chemin
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entre les 'barbes 305 et 307.
Les bornes de sortie 325 et 327 sont couplées aux bornes d'un voltmètre continu 346, ainsi qu'aux bornes d'un condensâtes 348.
Si la charge 344 est résistive, le courant circulant dans la ligne est en phase avec la tension aux bornes de la charge, et le courant qui traverse le semi-conducteur 301 est en phase avec les variations du champ magnétique. La tension alternative de sortie entre les bornes 325 et 327 est toujours de même sens, parce que le courant traversant la plaque semi-conductrice 301 dans le sens de la toute grande dimension et les lignes de force traversant celle-ci dans le sens de la'plus petite dimension, changent de direction simul- tanément.
Comme la tension de sortie est proportionnelle à la fois à l'intensité du champ magnétique H et au courant traver- sant la plaque semi-conductrice 301 qui sont, à leur tour, respectivement proportionnels au courant de ligne et à la tension de ligne, la tension instantanée apparaissant entre bornes 325 et 327 est proportionnelle à la'puissance consommée à tout moment par la charge. Le condensateur 348 sert à intégrer cette tension, de façon que le voltmètre 346 donne la tension moyenne apparaissant entre bornes.325 et 327. Si la charge a une composante réactive, le courant traversant la plaque semi- conductrice 301 s'inverse, dans une période donnée du fonc- tionnpmpnt, avant ou après l'inversion du champ magnétique, suivant que cette composante réactive est inductive ou capacitive.
La tension de sortie instantanée reste cependant toujours proportionnelle à 1- puissance instantanée, la puissance réac- tive étant donnée par la tension d'une polarité et la puissance réelle par la tension de l'autre polarité. Comme le condensateor 548 intègre cette tension, le voltmètre 346 indique- la possance moyenne réelle consommée par la charge.
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L'expériénce montre que les variations de fonctionnement en fonction de la température sont très faibles; dans un exemple typique, ces variations sont inférieures à 20% pour une variation de température de 40 C. Comme le courant de sortie est en substance indépendant de la tension de polarisation appliquée à la jonction p-n et de la tension "Hall" produite à l'intérieur du semi-conducteur, la tension aux bornes de la charge est en substance indépendante des variations du courait de charge. L'impédance de charge ne doit pas être spécialement adaptée à l'impédance de sortie du générateur, et, comme précité, elle peut varier considérablement sans influencer notablement la valeur du courant de charge.
Il a été constaté, en outre, que des variations dans les dimensions de la plaque semi-conductrice n'affectent pas notablement le fonctionnement de l'appareil, puisque toute variation peut être aisément compensée en variant le courant "à vide" qui traverse la plaque semi-conductrice et en variant le champ magnétique y appliqué.
Par exemple, la distance entre les jonctions p-n a été variée de 0,25 mm à 3 mm sans influencer le fonctionnement et il semble que cette dimension pourrait être portée à 10 mm sans effets préjudiciables.
Pour mesurer l'intensité d'un champ magnétique, il suffit de disposer le semi-conducteur comme'représenté à la figure 1, et de remplacer la source de courant continu 101 par une source de courant alternatif à amplitude constante.
D'autre part, pour utiliser l'invention comme multiplicateur dans un calculateur, il suffit d'exprimer une variable sous la forme d'un champ magnétique et l'autre variable sous la forme d'un courant électrique.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.